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芯片上的实验室,让早期诊断和精准医疗成为可能

时间:2020-09-15 08:37 点击:

  核心提示:深圳先进院医工所传感中心执行主任杨慧 深圳先进院供图 看病难 排队久是各大三甲医院普遍存在的现象,面临大医院资源不足的问题,分级诊疗甚至自助诊疗等解决方案急需提上议程。然而,基层医疗机构诊疗水平不足 家用诊疗设备匮乏是上述措施落地的一大门槛。
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深圳先进院医工所传感中心执行主任杨慧 深圳先进院供图
 
“看病难、排队久”是各大三甲医院普遍存在的现象,面临大医院资源不足的问题,“分级诊疗”甚至“自助诊疗”等解决方案急需提上议程。然而,基层医疗机构诊疗水平不足、家用诊疗设备匮乏是上述措施落地的一大门槛。近年来,飞速发展的微流控芯片技术正是要攻克这一难题。
 
“微流控芯片又被称为‘芯片上的实验室’,它的目标是将医学检测实验室完整复制到一块微小的芯片上。”中国科学院深圳先进技术研究院医工所传感中心执行主任杨慧介绍道。致力于“生物医学微系统与纳米器件”研究,利用微流控技术,杨慧团队目前已在早期诊断、精准医疗、仪器开发等方面取得系列进展。
 
“芯片实验室”是如何工作的
 
据杨慧介绍,团队目前主要的研究方向是生物医学微系统与纳米器件,其目的在于利用微米和纳米技术来解释并解决生物医学上的科学基础问题,同时创造一些新方法,微流控就是其中的重要研究方向。
 
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微流控芯片被称为“芯片上的实验室” 
 
所谓“芯片上的实验室”,是将以往在大型实验室里才能完成的实验,例如生物、化学、医学分析过程的样品制备、分离、反应、检测等基本操作单元,集成到一块微型的芯片上,实现对细胞、蛋白、酶、核酸等成分的快速准确检测、分析、分选与操控。国家科技部《“十三五”生物技术创新专项规划》明确将“芯片上的实验室”列为应重点发展的颠覆性技术之一。
 
一块几平方厘米的芯片要如何完成实验室中的检测项目?杨慧介绍了它的工作原理:芯片内设置了不同的可供流体通行的通道,用以完成不同的生物或化学反应过程,当需要检测的物质流过某一区域时,受到光的照射,这些物质可以自发或者与其它特定物质结合发出荧光,这些荧光可以通过光学相机等传感器进行读取,从而得知流体通道中需要检测的物质种类与含量。
 
那么,微流控芯片技术的发展将对人们的健康生活带来怎样的改变呢?
 
“好比二十年前血糖检测还需要在医院完成,现在自己在家用小试纸就能测了。”杨慧说,“微流控芯片的终极目标是对整个医疗检测体系进行创新,由原本以医院为主体管理个人健康水平,转化为病人通过相应的设备及方法,自我管理、监测自己的健康水平。”
 
助力体外检测与早期筛查
 
具体而言,杨慧团队的研究重点之一是实现对核酸或蛋白等生物单分子的操纵和检测,其明确的应用方向是生物医学的体外检测。
 
“将人体自身循环系统中的体液,尤其是血液,提取出来后,就能对体液环境中存在的许多物质进行分析。而这些物质的状态及含量反映了人体当时的基本健康状况。”杨慧表示,如果能够利用先进的微米纳米技术实现对单个分子或蛋白层面的研究,对于疾病的早期检测具有重要意义。
 
以C反应蛋白和肌钙蛋白的检测为例,这两类物质是临床医生判断发热患者是细菌性感染还是病毒性感染的明确指标,通过检测结果决定治疗方案。目前,医院对两种蛋白的检测水平在毫克每毫升、微克每毫升级别,而杨慧团队将其检测精度提高了10的3次方到6次方数量级,达到纳克甚至飞克每毫升级别。
 
“在目标物质含量极低时便能检测出来,意味着疾病在更早期的时候就能被发现。”杨慧表示,团队将继续开发新的疾病标志物检测方法,助力检测手段朝着可检测项目越来越多、检测精度越来越高的方向发展。特别是重大疾病如肿瘤、不可逆疾病如老年痴呆等,早期诊断对于疾病的防治具有重要意义。
 
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生物医学微系统与纳米器件
 
创新氛围为科研提供无限可能
 
2014年,杨慧于瑞士洛桑联邦理工大学获得博士学位后,曾在欧洲微电子中心任项目科学家,2017年加入深圳先进院。在她看来,深圳先进院无论在S(science,科学)还是T(technology,技术)上都有非常旗帜鲜明的发展思路。
 
“在特区的大环境下,能够实现的可能性非常多,不仅仅是攀登科研高峰的可能性,还有解决应用场景现实问题、服务于人群的可能性。”杨慧表示,“深圳的科技创新政策和产业氛围,允许我在基础研究形成突破的同时,在应用方面也形成有影响力的成果,这些应用研究进展反过来支持我进行更深入、更广泛的基础研究,这其实非常符合现在的科学发展规律,尤其是在生命健康科学领域。”
 
以所学解所需,杨慧团队去年与两家企业成立了联合实验室,一个是围绕微型化及小型化检测仪器开发的“体外诊断先进技术与应用联合实验室”,目前已实现快速即时的临床血液细胞分析;另一个是聚焦核酸痕量检测“智能miRNA癌筛应用联合实验室”,已开发微量血液中游离痕量核酸快速提取的便携式装置,使得远端的第三方检测成为可能。
 
“我们的研究和开发需要持续不断地挑战跨学科性的工作,但这也是我喜欢的地方。”杨慧指出,“例如,从复杂生物样品中分离和研究化学信号,属于分析化学或生物工程的领域。同时,工作中也需要关注疾病机制,深入研究生物学。微流控芯片的工作则是在物理和化学的界面上进行的,芯片涉及的微纳器件制造又属于微电子与机械工程范畴。”来自于精准诊疗应用的需求,促使杨慧团队在科研前沿不断探索未知,与不同领域多学科专家碰撞思维。
 
“科学不是一个象牙塔,它最终有非常明确的服务于人群的目标。”杨慧最后表示,作为科研人员,她的情怀就是希望自己的工作和研究能发现疾病早期诊断与精准治疗面临的科学与技术问题,提出解决方案,让研发成果真正走向应用。
    作者:佚名 来源:未知
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